NHIÊN LIỆU SINH HỌC – HIỆN TRẠNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO THỰC TẾ VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
  
MÔN HỌC: QUẢN LÝ BỀN VỮNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG
TIỂU LUẬN:
NHIÊN LIỆU SINH HỌC – HIỆN TRẠNG VÀ ĐỊNH
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO THỰC TẾ VIỆT NAM
GVHD : GS.TS. Lê Chí Hiệp
HVTH : Phùng Đình Liểu
MSHV : 1080100032


Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011
1
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH…….………………………………………………………………….2
DANH SÁCH BẢNG……………………………………………………………………….2
Trang 2
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
DANH MỤC BẢNG
Trang 3
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
I. SƠ LƯỢC VỀ NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH
I.1. Than đá
Hàng nghìn năm trước đây nguồn năng lượng được con người sử dụng cho
cuộc sống chủ yếu lấy từ củi gỗ, rơm, rạ, cỏ, lá cây, v.v Than đá được khai thác sớm
nhất vào thế kỷ thứ X ở Đức nhưng không được con người ưa chuộng vì khó cháy và
lại tỏa nhiều khí độc khi đốt.
Đến thế kỷ XV, ngành công nghiệp luyện kim ra đời và ngày càng phát triển,
nhất là đến đầu thế kỷ XIX, với sự ra đời của các nhà máy nhiệt điện, thì nhu cầu sử

dụng than đá mới chiếm tỷ trọng ngày một lớn. Tuy nhiên, cho đến những năm 60 của
thế kỷ XX, lượng than đá khai thác và sử dụng mới chỉ chiếm dưới 27% tổng năng
lượng sử dụng, còn khí đốt và dầu mỏ thì vẫn coi như không đáng kể.
Từ đầu thế kỷ XX, cơ cấu thành phần nhiên liệu sử dụng có sự thay đổi lớn. Tỷ
lệ dùng than đá, dầu mỏ và khí đốt tăng cao. Theo số liệu năm 1965, tỷ lệ đó là 40%,
33,5% và 16,3% tương ứng. Song đối với từng khu vực và từng quốc gia, cơ cấu năng
lượng sử dụng phụ thuộc vào trình độ phát triển của nền kinh tế - xã hội của mỗi
nước, Chẳng hạn Ấn Độ vào năm 1965, năng lượng do than đá cung cấp chiếm 40%,
trong khi đó năng lượng cung cấp từ điện năng (trừ nhiệt điện), dầu mỏ, khí đốt chỉ
là 7% Tuy nhiên trong thời gian qua, xu hướng sử dụng năng lượng từ than đá có sự
giảm sút rõ rệt vì dầu mỏ và khí đốt được khai thác ngày càng nhiều nên giá thành hạ.
Gần đây, một xu hướng mới lại xuất hiện ở nhiều nước, trước tình hình nguồn dầu mỏ
và khí đốt thiếu hụt, giá tăng nhanh. Người ta đang quay trở lại sử dụng than đá, đồng
thời cải tiến kỹ thuật đốt than để dễ điều khiển quá trình cháy và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường.
Trữ lượng than đá thế giới được đánh giá là 23.000 tỷ tấn, trong đó khoảng
30% tập trung ở Liên Xô (cũ), Hoa Kỳ và Trung Quốc. Các nước có trữ lượng than đá
Trang 4
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
lớn hơn 20 tỉ tấn là: Liên Xô (4.122 tỉ tấn), Hoa Kỳ (1.100 tỉ tấn), Trung Quốc (1.011
tỉ tấn), Đức (70 tỉ tấn), Canađa (61 tỉ tấn), Ba Lan (46 tỉ tấn), Nam Phi (26 tỉ tấn),
Nhật Bản (20 tỉ tấn). Với nhịp độ khai thác hiện nay thì việc khai thác than đá có thể
tiếp tục chừng 250 năm nữa.
Nhu cầu sử dụng than đá ở một số nước vẫn tăng cao, tuy nhiên số lượng than
khai thác thì lại có nguy cơ giảm xuống. Thực trạng thị trường than đá thế giới đang
trong giai đoạn cung thấp hơn cầu. Hiện tại Trung Quốc và Nhật Bản là hai nước nhập
khẩu than đá lớn nhất thế giới.
I.2. Dầu mỏ
Từ năm 2000 trở đi, năng lượng chủ yếu được khai thác và sử dụng cho nhu
cầu công nghiệp là dầu mỏ và khí đốt. Riêng dầu mỏ, trữ lượng toàn cầu (trừ Liên Xô

và các nước XHCN cũ) là 65,3 tỉ tấn, và đến năm 1978 trữ lượng này tăng lên 74,9 tỉ
tấn do quá trình thăm dò bổ sung ở một số vùng biển và thềm lục địa. Không kể phần
Liên Xô (cũ) thì khoảng 65% dự trữ dầu mỏ tập trung ở các nước thuộc khối Ả Rập.
Từ nửa sau thế kỷ XX, nhu cầu về dầu mỏ ngày càng tăng và lượng dầu khai
thác cũng tăng lên gấp đôi. Lượng dầu khai thác hàng năm vào cuối thế kỷ XX gấp
150 lần lượng khai thác hàng năm vào đầu thế kỷ. Theo ước tính, với nhịp độ khai
thác hiện nay thì trữ lượng dầu mỏ sẽ cạn trong vòng 30 - 35 năm nữa.
Có tồn tại mâu thuẫn là khu vực sản xuất dầu mỏ nhiều nhất lại là nơi không
tiêu thụ nhiều dầu, nên phần lớn dầu mỏ khai thác được xuất sang các nước phát triển.
I.3. Khí tự nhiên
Trong nửa sau thế kỷ XX, khí đốt (khí tự nhiên) là nguồn cung cấp quan trọng
sau dầu mỏ. Trữ lượng khí đốt ở độ sâu hiện đang khai thác (3.000m) là 72,9 ngàn tỉ
m
3
trong đó có 20% nằm ở đại dương. Nếu tính ở độ sâu 5000 mét thì trữ lượng khí
Trang 5
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
đốt là 86 ngàn tỉ m
3
. Mức độ khai thác khí đốt cũng khác nhau tùy theo khu vực và
từng nước là do nhu cầu thực tiễn của sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi nước.
Do nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu tăng cao, trong khi nguồn nhiên
liệu than đá và dầu mỏ cạn dần, đã khiến giá nhiên liệu nói chung, nhất là dầu mỏ,
tăng cao. Giá dầu mỏ tăng đang làm chao đảo nền kinh tế nhiều khu vực và thế giới.
Hoa Kỳ là nước tiêu thụ dầu mỏ lớn nhất thế giới (khoảng 1 tỷ tấn năm) và phải nhập
khẩu 70% nhu cầu sử dụng, ước 20 - 25 triệu thùng/ngày. Trung Quốc (TQ) hiện đang
là nước tiêu thụ dầu mỏ đứng thứ 2 sau Hoa Kỳ, vượt cả Nhật Bản. Theo số liệu của
cơ quan Năng lượng Quốc tế, năm 2003 tổng khối lượng dầu mỏ tiêu thụ của TQ là
252,3 triệu tấn. Theo số liệu của Bộ Thương mại TQ, nước này đang nhập khẩu dầu
mỏ với khối lượng ngày càng tăng và chiếm 1/3 lượng dầu mỏ tiêu thụ ở TQ. Năm

2004, TQ nhập khẩu 110 triệu tấn dầu thô, vượt 21% so với năm 2003. Dự báo đến
năm 2020, sự thâm hụt dầu mỏ ở TQ sẽ đạt tới 250 triệu tấn/ năm. Các nguồn dầu mỏ
mà TQ đang hướng tới là Nga, Arập Xeut, Iran, Kazacstan, Tuôcmenistan, Kirgistan,
Xyri. Ngoài ra TQ cũng đang tìm cách tăng cường thăm dò và khai thác dầu khí trong
nước. Khu vực lãnh hải giàu tiềm năng khí đốt đang là chủ đề tranh cãi gay gắt giữa
Nhật Bản và TQ. Ngoài ra, Chính phủ TQ đang tổ chức các đề án quy mô lớn nhằm
khai thác dầu mỏ và khí đốt trên đại lục.
Nước đông dân thứ hai trên thế giới, đồng thời sử dụng dầu mỏ lớn thứ 3 châu
Á bên cạnh TQ, là Ấn Độ. Ấn Độ là nước đang phải nhập khẩu tới hơn 2/3 nhu cầu
dầu thô trong nước. Từ lâu các công ty dầu khí của Ấn Độ đang tìm kiếm cơ hội đầu
tư ở Iran, mua dầu thô và khí đốt tại Angola, I rắc, Myanma, Xuđăng, Xyri và Việt
Nam.
Trang 6
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
II. NHIÊN LIỆU SINH HỌC – KHÁI NIỆM, LỊCH SỬ VÀ ĐIỀU KIỆN PHÁT
TRIỂN
Nhiên liệu sinh học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ
nguyên liệu động thực vật gọi là sinh khối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì
chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình lục hoá (photosynthesis) ngắn hạn -
đốt nhiên liệu sinh học sẽ thải khí CO
2
, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO
2
đó, để tạo
thành sinh khối. Chế biến nhiên liệu sinh học, trên lý thuyết, coi như không làm gia
tăng CO
2
trong khí quyển. Nhiên liệu sinh học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than
đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo); thể lỏng (như xăng sinh học, diesel sinh học);
hay thể khí như khí methane sinh học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể

lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng
chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiên liệu của xe. Nhiên liệu sinh học đề cập
bao gồm xăng ethanol (E) và diesel sinh-học (ở Việt nam gọi là B), tương ứng với
xăng cổ sinh biến chế từ dầu mỏ là xăng (gasoline) và diesel. Khuynh hướng sản xuất
xăng sinh học đang trên đà phát triển, vì nhiều lý do:
(i) giá xăng cổ sinh ngày càng mắc;
(ii) trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng
năm 2100);
(iii) nhiều quốc gia muốn phụ thuộc ít vào việc nhập cảng nhiên liệu cổ sinh trong khi
quốc gia họ có khả năng sản xuất nhiên liệu thay thế;
(iv) bị áp lực chính trị phải giảm lượng khí CO
2
xả thải để phù hợp với Thoả hiệp
Kyoto (1997) quy định.
Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật, v.v.)
đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động cơ hơi
nước (steam engine) và máy phát điện, nhiên liệu sinh học thể rắn (gỗ) được sử dụng
Trang 7
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
một thời để phát triển kỹ thuật ở thế kỷ 18 và 19, và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam,
xe lửa chạy bằng năng lượng từ đốt gỗ được sử dụng cho tới khoảng 1956 mới thay
thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên liệu sinh học ở thể
rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng
cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết
kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn ethanol, Rudolf Diesel (người
Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng (groundnut oil), và
Henry Ford (Hoa Kỳ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu thực vật (từ 1903 đến 1926) chế
biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa (hemp - Cannabis sativa).
Từ khi khám phá ra nhiên liệu cổ sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) các ngành kỹ

thuật bắt đầu chuyển sang sử dụng nhiên liệu này do hiệu quả kinh tế cao hơn. Tuy
nhiên, trong giai đoạn chiến tranh, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và
để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh hướng sử dụng
xăng sinh học lại được ưa chuộng. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh
học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu
năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu
bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil
tiêu biểu cho chính sách này. Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự
tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), đã nghiên cứu các kỹ
thuật hạn chế xả thải khí nhà kính (CO
2
, methane, N
2
O, v.v.) khi sử dụng nhiên liệu cổ
sinh bằng cách sử dụng năng lượng xanh (năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, v.v.),
cũng như nhiên liệu sinh học.
Trong các loại nhiên liệu sinh học, xăng ethanol (E) là loại thông dụng nhất
hiện nay trên thế giới vì dễ dàng biến chế từ đường (đường mía, củ cải đường, sorgho
đường) và tinh bột (ngũ cốc, khoai tây, khoai mì).
Trang 8
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Tuy nhiên,
ethanol chứa 33% năng lượng ít hơn xăng cổ sinh, nên cần nhiều ethanol hơn để xe
chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông
thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 (xăng pha 15% ethanol). Xăng chứa
ethanol có mức octane hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau
hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi khác của ethanol là hút ẩm nên
xăng ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó khởi động, làm rỉ sét kim loại, hư mòn
chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe
thường xuyên. Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở

cũng khó khăn hơn xăng thường (bồn đặc biệt, đắt hơn, khoảng £120,000/xe bồn xăng
ở Anh – USD 200,000), nên cuối cùng tổn phí cao (tại Anh, tổn phí sản xuất khoảng
35 pence/lít – 60 cents/lít). Nói tóm lại, nếu tính từ lúc canh tác cây, phân bón, thuốc
sát trùng, tưới nước, thu hoạch, lên men, chưng cất cho tới khi sử dụng, biến cải xe
hơi, v.v. thì chạy xe bằng xăng-ethanol tốn kém hơn chạy bằng xăng thường.
Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng ethanol E10 (xăng thường pha
10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng ethanol E5
(Xăng pha 5% ethanol). Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng ethanol
E85 như ở Brazil.
Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kính hơn xăng thường. Chẳng hạng E85
thải 1 ppm khí NO2 trong khi xăng cổ sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung thư ít hơn khi
hít phải khí thải của xăng sinh học. Methanol (CH
3
OH), còn gọi methyl- alcohol được
điều chế từ khí methane (CH
4
) của khí đốt của mỏ dầu. Methanol cũng được biến chế
từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và
hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis).
Diesel sinh học: Theo phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Hoa Kỳ (U.S.
National Renewable Energy), đốt diesel sinh học giảm thải 50% carbon monoxide
Trang 9
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
(CO) và 78% carbon dioxide (CO
2
) so với diesel truyền thống. Ngoài ra, sử dụng
nhiên liệu này không thải Sulphur SO
2
. Diesel sinh học có những đặc tính vật lý tương
tự diesel, thành phần hoá học chính là acid béo - Fatty acid methyl (hay ethyl) ester.

Diesel sinh học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy khoảng 150°C, trong khi
diesel là 70°C.
Diesel sinh học khi đun nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy
diesel. Nguyên liệu sản xuất diesel sinh học là thực vật chứa nhiều dầu như hạt cải dầu
(Oil seed rape), dừa dầu (oil palm), dừa (coconut), đậu nành (soyabean), đậu phộng
(groundnut), bông vải (cotton), hạt cao su (rubber), hướng dương (sunflower), cây và
hạt cần sa (hemp,Cannabis sativa), v.v. Trong các nguyên liệu, tảo và trái dầu lai
(Jatropha curcas) là những nguồn dầu thực vật quan trọng mới ngày nay.
Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel sinh học được pha với diesel
truyền thống. Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử
dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại cũ (chỉ cần thay thế bộ
phận bơm injection). Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với
dầu ăn nguyên chất, hay diesel sinh học 100%. Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN
B&W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất. Dầu đã sử
dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước thì chạy được xe
hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel sinh học 100%. Tuy nhiên, các
hãng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel sinh học với 85% diesel để xe ít bị
hao mòn. Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel sinh học ở mọi trạm
xăng. Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel sinh học, và càng
ngày mức sử dụng diesel sinh học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu
gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007. Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu
đều chạy bằng diesel sinh học.
Trang 10
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
III. BIOFUEL – CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG
Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều carbon, hoặc
dưới dạng đường, tinh bột, cellulose đều có thể chế biến thành ethanol, hoặc chứa
nhiều acid béo thì có thể chế biến thành diesel sinh học. Thông thường nhất là từ thực
vật có khả năng lục hoá – biến CO
2

của khí quyển thành chất đường, tinh bột,
cellulose, protides, lipids, v.v. Trung bình cứ mỗi phân tử CO
2
cây hấp thụ và chế biến
qua lục hoá thành sinh khối chứa 114 kilocalories. Khó khăn kỹ thuật hiện tại là làm
sao biến toàn thể năng lượng C chứa trong sinh khối thành xăng sinh học. Với kỹ
thuật hiện nay, có 2 phương thức hữu hiệu:
(i) Cho lên men (nhờ men và enzymes trong điều kiện yếm khí) chất đường (từ mía,
củ cải đường, v.v.), tinh bột [từ hạt ngũ cốc (bắp, lúa, lúa mì, v.v.) và củ (khoai tây,
khoai mì, v.v.)], hay cellulose để tạo ra rượu Ethanol (C
2
H
5
OH), Propanol
[CH
3
CH
2
CH
2
OH; (CH
3
)
2
CHOH] và Butanol (C
4
H
10
O).
(ii) Trích dầu từ thực vật giàu chất dầu, hay mỡ từ động vật (ép với áp suất cao và

nhiệt, hay bằng dung môi, hay phối hợp cả hai).Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế),
chia làm 3 loại như sau:

Công nghệ nhiên liệu sinh học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường,
sorgho- đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v.,
hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-
dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel sinh học. Kỹ thuật đơn giản
và kinh tế nhất.

Công nghệ nhiên liệu sinh học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của phần thực vật
thải bỏ (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực vật hoang dã
(non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng
25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít
ethanol. Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa
Trang 11
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
hữu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên
giá thành sản xuất còn cao.

Công nghệ nhiên liệu sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.
Hiện nay tảo nổi lên như một nguyên liệu có triển vọng nhất để sản xuất nhiên
liệu sinh học vì không xâm phạm vào nguồn thực phẩm như ethanol, không
tranh chấp đất đai với cây nông nghiệp, lớn rất nhanh và năng suất chế biến
thành dầu cao. Tập đoàn dầu mỏ Shell đang thực hiện một dự án trồng tảo lớn,
song song với việc tìm kiếm công nghệ chế biến. Họ sẽ xây dựng một khu vực
(mặt biển) rộng 1.000ha để đánh giá kinh tế trước khi triển khai trên quy mô
thương mại với 20.000ha. Ngoài ra, một số công ty tư nhân như Sapphire
Energy cũng đang tìm kiếm một công nghệ gen để tạo ra dòng tảo có thể trồng
và thu hoạch trên quy mô lớn.
Sản xuất nhiên liệu qua con đường khí hóa

Sinh khối có thể chuyển hóa nhờ sử dụng công nghệ khí hóa. Bất kỳ loại sinh
khối nào cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu khí hóa, kể từ hỗn hợp cenlulose đến
phụ phẩm và chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), cỏ, các phế phẩm của công nghiệp
gỗ, các chất thải rắn đô thị.
Quá trình khí hóa sinh khối cho ra sản phẩm là một hỗn hợp các loại khí, được
gọi là khí tổng hợp - syngas.
Hàng loạt biofuel dạng lỏng sẽ được sản xuất nhờ quá trình tổng hợp loại khí
này tùy theo từng điều kiện công nghệ.
Công nghệ khí hóa là quá trình oxy hóa từng phần sinh khối nhờ cách thức bổ
sung dần ôxy từ không khí theo từng lượng vừa đủ.
Ôxy sẽ tác dụng với sinh khối ở nhiệt độ cao, khoảng 900
o
C. Trong trường hợp
khí hóa trực tiếp, nhiệt cần thiết cho quá trình được tạo ra nhờ đốt một phần sinh khối
được nạp vào lò khí hóa. Cả không khí (có thể lẫn oxy) được thổi vào lò khí hóa trực
Trang 12
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
tiếp khi đó người ta đã dùng chính năng lượng nhiệt của một phần vật liệu khí hóa cho
quá trình khí hóa. Nếu chỉ sử dụng ôxy thì syngas sinh ra sẽ không chứa nitơ. Tuy
nhiên, việc tạo ra oxy cho quá trình này làm tăng năng lượng cần sử dụng, do đó tăng
chi phí đầu tư. Quá trình khí hóa gián tiếp sử dụng một phần nhiệt từ sinh khối cháy
hoặc nhiệt do từ bên ngoài lò cung cấp. Một ưu điểm của quá trình khí hóa gián tiếp
này là nó cũng sinh ra syngas không chứa nitơ mà không cần sử dụng oxy như quá
trình khí hóa trực tiếp. Tuy nhiên, quá trình khí hóa gián tiếp phải trải qua nhiều bước
và phức tạp hơn. Ngoài ra, nó tạo ra hai dòng khí cần phải khử, làm sạch. Các kiểu lò
thích hợp với quá trình khí hóa sinh khối hiện nay gồm có: lò khí hóa cố định; lò khí
hóa tầng sôi và lò khí hóa dòng cuốn. Lò khí hóa cố định hoạt động ở nhiệt độ giữa
700 và 1200
o
C. Chúng được phân loại dựa theo hướng đi của luồng khí qua lò (ví dụ

từ dưới lên, trên xuống, hoặc ngang qua) hoặc theo hướng dòng chất rắn và dòng khí
(cùng chiều, ngược chiều hoặc chéo chiều). Lò phản ứng cùng chiều có ưu điểm là có
thể cho sản phẩm syngas sạch (ngược lại với lò phản ứng khác chiều). Tuy nhiên lò
phản ứng ngược chiều lại ít khắt khe đối với nguyên liệu sinh khối và có sức chứa
rộng hơn. Lò phản ứng tầng sôi cho phép chứa hỗn hợp sinh khối với chất liệu nóng,
ví dụ như cát nóng chẳng hạn, và phản ứng sẽ xảy ra trong toàn bộ dung tích lò. Nhiệt
độ đồng nhất trong lò có thể được điều khiển thông qua việc thay đổi tỉ lệ không khí/
sinh khối. Lò tầng sôi "dễ tính" đối với sinh khối hơn là lò cố định, nhưng syngas sản
phẩm luôn có hắc ín đi kèm (nhiều hơn so với lò khí hóa cố định cùng chiều) và cần
phải khử bỏ. Lò khí hóa dòng cuốn hoạt động ở nhiệt độ rất cao (1500
o
C) và tạo ra
syngas sạch không có tạp hắc ín. Tuy quá trình khí hóa khó điều khiển nhưng hiện tai
lại đang được sử dụng rộng rãi nhất. Đây là kiểu lò thể tích lớn, nhiên liệu cung cấp
cho hoạt động dễ điều chỉnh, có thể áp dụng tùy từng mức từ 1 đến vài trăm megawat.
Các lò khí hóa nói chung đều hoạt động ở điều kiện áp suất gần áp suất thường và sử
dụng không khí làm tác nhân khí hóa. Syngas sản phẩm của quá trình khí hóa chủ yếu
Trang 13
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
là hỗn hợp CO, CO
2
, H
2
, metan, nước và nitơ. Thành phần khí tổng hợp thay đổi tùy
thuộc vào thành phần nguyên liệu sinh khối và điều kiện hoạt động. Các tạp chất trong
syngas thu được có thể là các bụi than nhỏ, xỉ lò chứa clorua, lưu huỳnh, kim loại
kiềm, hợp chất nitơ và hắc ín. Các tạp chất này có thể sẽ làm giảm tác dụng của chất
xúc tác trong lò reforming khí, lò trung chuyển, lò tổng hợp và gây ra ăn mòn các bộ
phận trao đổi nhiệt trong turbin khí. Hắc ín có thể gây tác hại cho hệ thống khí hóa.
Các tạp chất có thể được khử bỏ nhờ sử dụng cyclone hoặc màng lọc gốm.

Sau khi được làm sạch, syngas trải qua các bước khử CO
2
và reforming. Tùy theo
mục đích sử dụng tiếp theo mà khí tổng hợp được điều chỉnh cho phù hợp.
III.1. Metan - Biogas
Metan là hydrocacbon đơn giản nhất, có công thức hóa học là CH
4
, dạng khí.
Ngoài tên gọi metan, người ta còn gọi chúng là khí Marsh; hydrua metyl. 80% lượng
phát tán metan toàn cầu là từ nguồn hoạt động sản xuất nông nghiệp và các hoạt động
khác của con người sinh ra. Trong suốt 200 năm qua, mật độ của khí này trong bầu
khí quyển tăng gấp đôi, vượt từ con số 0,8 lên đến 1,7 ppm.
Metan là thành phần chính của khí tự nhiên, là nhiên liệu có vai trò quan trọng.
Vì là hydrocacbon có liên kết đồng hóa trị nên metan rất bền, rất hạn chế khi sử dụng
làm nguyên liệu sản xuất các loại hóa chất khác.
Metan không mùi, nhưng khi dùng làm nhiên liệu, người ta trộn vào nó một
lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh là etylmercaptan để dễ phát hiện khi
xảy ra sự rò rỉ khí. Metan là chất gây hiệu ứng nhà kính cao gấp 21 lần so với CO
2
.
Sản phẩm khí từ quá trình phân hủy sinh khối, phân gia súc và phân người, bùn
cống nhờ vi khuẩn lên men kỵ khí (trong điều kiện không có oxy không khí) được
gọi là biogas. Biogas chứa nhiều metan.

Công nghệ sản xuất biogas
Trang 14
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
Quá trình phân hủy nhờ vi sinh vật trong các hầm ủ biogas trải qua ba giai
đoạn. Giai đoạn thứ nhất là sinh khối bị thủy phân, phá vỡ mạch phân tử lớn tạo thành
đường, axit amin, axit béo nhờ lên men vi sinh vật kỵ khí. Giai đoạn 2 là quá trình

axetic hóa, trong đó các vi khuẩn lên men axetic sẽ đồng hóa từng sản phẩm của giai
đoạn đầu và biến chúng thành các axit mạch ngắn, chủ yếu là axit axetic. Giai đoạn 3
là giai đoạn metan hóa, được thực hiện bởi các vi khuẩn kỵ khí, ở đây các axit sẽ được
chuyển hóa thành metan.
Bể ủ biogas phải hoàn toàn kín đảm bảo môi trường kỵ khí tốt, đồng thời phải
thiết kế để chịu được áp suất, và nhiệt độ tối ưu.
III.2. Hydro (H
2
)
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, dễ cháy (phản ứng với oxy) và
sản phẩm của phản ứng chỉ là nước. Ở nhiệt độ thông thường, hydro tồn tại dưới dạng
khí, có thể bay hơi xuyên qua cả thành bình đựng (kể cả bằng thép mỏng) nên rất khó
bảo quản và vận chuyển. Giải pháp bảo quản và và vận chuyển hydro là dùng bình áp
suất hoặc chuyển nó sang dạng lỏng, chứa trong bình chứa đặc biệt chịu áp và giữ cho
nhiệt độ bên trong luôn thấp. Hiện tại đã có một trạm nhiên liệu bán hydro do công ty
Shell đặt tại Washington (Hoa Kỳ) vào tháng 11/2004 và đây được coi là trung tâm
nhiên liệu hydro điều tiên trên thế giới. Hydro lỏng tại trạm này được chứa trong hệ
thống nhiệt độ -97
o
C . Từ đây hydro dạng khí sẽ được nạp vào bình nén chứa làm
nhiên liệu bơm cho các xe ô tô. Hãng Daimler Chrysler đang nghiên cứu chế tạo ra
loại hình có cấu trúc tổ ong để lưu trữ khí hyđro. Tuy nhiên, hạn chế của loại hình này
là giá thành cao.
Khí hydro không mùi vị có thể cháy hoàn toàn, có đặc tính dễ nổ hơn nhiều so
với xăng. Cùng một khối lượng tương đương, hydro sản sinh nhiều năng lượng hơn
xăng. Hydro là nhiên liệu dễ cháy nhất trong các loại nhiên liệu hiện nay. Động cơ xe
Trang 15
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
chạy hydro thường có công suất yếu hơn động cơ chạy xăng cùng dung tích.
Tuy có một số nhược điểm nhưng hydro có thể trở thành nguồn nhiên liệu hấp

dẫn thay thế xăng, vì chúng có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác
nhau và khi cháy chất thải duy nhất của nó là nước. Xe chạy bằng khí hydro không
thải ra các chất gây ô nhiễm như xăng.
Một trở ngại đối với việc phân phối hydro là phải lập ra mạng lưới cung ứng
hoàn toàn mới. Nhiên liệu hydro không cần phải sản xuất tập trung như xăng (dầu),
rồi vận chuyển đi khắp nơi, mà có thể sản xuất tại chỗ cần sử dụng khí này.

Công nghệ sản xuất H
2
Phương pháp sản xuất hydro đơn giản nhất hiện nay là điện phân nước (H
2
O).
Hydro có thể sản xuất với khối lượng nhỏ ở bất cứ đâu, thậm chí ngay trong gara ô tô.
Tuy nhiên, hiện nay người ta đang còn băn khoăn về giá hydro cũng như giá ô tô chạy
bằng nhiên liệu này (hàng tỷ USD đang được các công ty sản xuất ô tô và công ty
năng lượng các nước trên thế giới đầu tư để nghiên cứu chế tạo các kiểu xe chạy bằng
hydro). Giá hydro hiện nay là 2 USD/kg, 1kg hydro cho lượng năng lượng tương
đương năng lượng của 1 galon (3,8 lít) xăng thông thường; còn xe ô tô chạy hydro
(như chiếc Opel Zafira) hiện có giá rất cao, đến 1 triệu USD (tất nhiên trong tương lai
xe sản xuất nhiều thì giá thành của xe sẽ giảm).
Ba lý do khiến người ta chuyển sang sử dụng hydro làm nhiên liệu là: nguồn
năng lượng nguồn gốc hóa thạch đang giảm nhanh và nếu tự túc được nhiên liệu sẽ
giúp giảm nhẹ sự lệ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Ngoài ra, sử dụng hydro làm nhiên
liệu góp phần bảo vệ được sự bền vững môi trường. Vì vậy, mặc dù còn nhiều trở ngại
trên con đường tiến tới việc sử dụng hydro phổ biến như nhiên liệu hóa thạch, người
ta vẫn tin rằng đó là xu thế tất yếu của tương lai và không thấy lý do nào có thể cản trở
sự thành công của nhiên liệu hydro.
Có thể trong nhiều năm nữa, xe ôtô chạy bằng hydro sẽ được sản xuất hàng
Trang 16
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng

loạt, thay thế các xe sử dụng xăng và diezel hiện thời. Tuy nhiên, các chuyên gia dự
đoán còn cần ít nhất một thập kỷ nữa mới giải quyết được về cơ bản các vấn đề đặt ra
khi sử dụng hydro làm nhiên liệu.
III.3. Methanol (rượu metylic, cồn gỗ, cacbinon)
Cũng như ethanol, methanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô từ lâu,
đặc biệt là ở Hoa Kỳ. Methanol có thể sản xuất từ khí tổng hợp - sản phẩm khí hóa
sinh khối và các nguồn khác đồng thời cũng có thể đi từ khí tự nhiên. Methanol được
sản xuất từ nguồn nguyên liệu đi từ sinh vật đang được khuyến khích phát triển sử
dụng làm nguyên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu dầu mỏ.
Methanol có thể được sản xuất từ sinh khối, thường là củi gỗ. Để sản xuất 1 tấn
methanol cần gần 2 tấn gỗ khô, có nghĩa năng suất sẽ là 550 lít methanol/1 tấn gỗ.
Năng suất methanol từ nguyên liệu thân thảo khô (cỏ khô) còn thấp hơn, đạt khoảng
450 lít/tấn.

Công nghệ sản xuất methanol
Điều chế rượu methanol từ khí methane (CH
4
) của khí đốt dầu hoả hay
methane sinh học. Lên men yếm khí trong lò ủ, chất hữu cơ phân hủy thành khí
methane (CH
4
).
Khí methane sản xuất từ lò ủ yếm khí chiếm khoảng 65% và CO
2
khoảng 35%
thể tích. Sau đó, methane được tổng hợp thành ethanol, hay methanol.
Trong sản xuất công nghiệp, khí methane phản ứng với hơi nước ở áp suất 10-
20 atmospheres (1-2 MPa) và 850°C với Nickel làm chất xúc tác sẽ cho ra Hydrogen
và Carbon monoxide:
CH

4
+ H
2
O → CO + 3H
2
Với một chất xúc tác khác (gồm hợp chất đồng, oxyd kẽm và nhôm), ở áp suất
50 - 100 atmospheres (5-10 MPa) và 250°C, tổng hợp Hydrogen và Carbon monoxide
Trang 17
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
tạo thành methanol:
CO + 2H
2
→ CH
3
OH
Với kỹ thuật này cũng sản xuất được khí Hydrogen rẻ tiền, cũng là một nhiên
liệu thể khí.
Một phương pháp khác là công nghệ khí hoá (gasification), phân hủy nhiệt
nhiên liệu khối rắn để tạo ra nhiên liệu khí, dựa trên biến đổi plasma. Đun chất hữu cơ
ở nhiệt độ rất cao, trong điều kiện không có oxy, để phá huỷ các “cầu nối” (bond) của
phân tử hữu cơ thành “khí tổng hợp” (synthesis gas, syngas), rồi dùng các khí này
biến chế ethanol hay diesel sinh học. Trong trường hợp nguyên liệu rác, dùng nhiệt độ
cao (250°C) với áp suất thật cao (40 MPa hay 400 atmospheres) đủ để sản xuất khí
tổng hợp. Chẳng hạn, cứ mỗi 10 kg vỏ bánh xe hơi cũ tạo được 15,4 lít ethanol.
Một khám phá mới của Đại học Arkansas (Hoa Kỳ) cho biết vi khuẩn kỵ khí
Clostridium ljungdahlii trong bao tử gà có thể biến khí chứa 1 C như methane (CH4),
Carbon monoxide (CO) của lò ủ yếm khí thành methanol.
Hiện tại, chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất methanol từ sinh khối,
công suất 400 MW nhiệt, vào khoảng 700 euro/ kW nhiệt. Đầu tư lâu dài vào cơ sở
lớn hơn chi phí giảm 25 - 30%. Hiệu suất ngắn hạn có thể đạt 50 - 55%. Đối với cơ sở

sản xuất dài hạn lớn hơn (1000 MW nhiệt) con số này có thể còn 60 - 65% so với đầu
tư nhỏ. Chi phí đầu tư cho công nghệ tổng hợp methanol trong pha lỏng thấp hơn công
nghệ tổng hợp trong pha khí là 5 - 23%.
Chi phí sản xuất methanol ngắn hạn hiện khoảng 0,14 - 0,20 euro/ lit (9 - 13
euro/ GJ). Trong tương lai, chi phí này có thể giảm xuống còn 0,1 euro/ lít (7 euro/
GJ). Cũng như ethanol, methanol có nhiệt lượng thấp hơn xăng nên chi phí sử dụng
cũng cao hơn xăng.

Khả năng ứng dụng
Methanol có thể ứng dụng trong hầu hết loại xe cộ và có thể được sử dụng như
Trang 18
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
là nhiên liệu riêng hoặc pha trộn với xăng. Methanol có chỉ số xetan thấp (5 so với 50
ở diezel dầu mỏ) nên tinh chất đánh lửa kém, rất khó thích hợp với động cơ diezel, tuy
nhiên nhờ chỉ số octan cao nên sử dụng thay thế xăng ở động cơ xe ô tô lại cho kết
quả tốt. Hầu như 1,2 tỉ galon methanol được sản xuất tại Hoa Kỳ hiện nay được sử
dụng làm nguyên liệu sản xuất MTBE (metylterbutyleter) một phụ gia xăng. Để làm
nhiên liệu trực tiếp, methanol chỉ phù hợp cho một số loại xe có động cơ hoạt động
với tỷ số nén cao.
Methanol còn được sử dụng làm chất chống đông đường ống dẫn dầu, làm
dung môi, làm nguyên liệu sản xuất các hóa chất và vật liệu khác (chất dẻo, gỗ dán,
sơn, chất nổ, Methanol có tính độc cao và dễ cháy, khi cháy không thành ngọn lửa
nên cần hết sức cẩn thận khi tiếp xúc và sử dụng.
III.4. Dimetylete
Dimetylete (DME) hiện đang được sử dụng chủ yếu làm tác nhân khí phun
trong các hộp phun. Nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho xe cộ mới chỉ được
bắt đầu gần đây. Lý do khiến người ta quan tâm tới điều này là vào những năm 1990,
có một nhóm các nhà nghiên cứu trong khi tìm phương pháp sản xuất xăng tổng hợp
đi từ syngas, thì họ đã ngẫu nhiên phát hiện ra một phương pháp sản xuất DME từ khí
này. Trước đó DME mới chỉ được sử dụng trong công nghiệp mỹ phẩm và chưa ai

thành công trong việc thử dùng nó làm nhiên liệu cho động cơ diezel. Điều nổi trội
của DME để nó có thể trở thành nhiên liệu hấp dẫn thay thế diezel là khả năng chất
này giảm phát thải NOx khi sử dụng làm nhiên liệu. Hơn nữa, chất này có thể được
sản xuất từ các nguồn nguyên liệu đa dạng, như sinh khối và khí tự nhiên.
Cũng như methanol, bio-DME được sản xuất thông qua con đường khí hóa
sinh khối thu syngas làm nguyên liệu.
Cứ 3 tấn gỗ hoặc chất liệu có nguồn gốc từ gỗ sẽ sản xuất được 1 tấn DME.
Trang 19
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
Điều này có nghĩa là năng suất chuyển hóa đạt 500 lít DME/1 tấn gỗ.

Công nghệ sản xuất bio- DME
DME là ete đơn giản nhất có thể sản xuất trực tiếp từ nguồn syngas chứa CO
và H
2
. Các phương pháp mới được nghiên cứu trong vòng hơn chục năm trở lại đây đã
cho phép điều chế DME trực tiếp từ CO và H
2
trên những xúc tác đặc biệt. Hiện có 2
hãng của châu Âu là Air Product và Topsoe Haldor và một hãng của Nhật Bản là JFE
sở hữu hai bí quyết công nghệ đang đi đầu trong phương pháp tổng hợp này:
CO + H
2
‒› CH
3
- O - CH
3
+ H
2
O (Topsoe Haldor)

CO + H
2
‒› CH
3
- O - CH
3
+ CO
2
(JFE)
Giai đoạn đầu tiên nghiên cứu về chất xúc tác cho phản ứng tổng hợp DME
trực tiếp được tiến hành trong khoảng thời gian từ 1989 - 1995. Việc nghiên cứu và
sản xuất thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm khoảng 5 tấn/ ngày được thực hiện từ
những năm 1995 - 2001. Những cơ sở đầu tiên trên thế giới sản xuất thử DME ở quy
mô công nghiệp mới chỉ được thực hiện từ năm 2002 với công suất 100 tấn/ ngày.
So với các loại xăng truyền thống thì nhiên liệu mới DME có nhiều ưu việt như
giảm thiểu được lượng CO
2
và NOx phát thải, không sinh ra SO
2
. Song điều quan
trọng là đầu vào để sản xuất DME là CO và H
2
tương đối dễ kiếm, có thể đi từ nhiều
nguồn nguyên liệu khác nhau như khí tự nhiên, than đá, dầu nặng phế thải, khí metan
tận thu từ các quá trình xử lý chất thải hông qua quá trình khí hóa. Hạn chế của dạng
nhiên liệu này là việc sử dụng chúng khá phức tạp.
Công nghệ sản xuất DME giống với công nghệ sản xuất methanol nói trên.
DME cũng có thể sản xuất từ nguồn methanol tinh khiết. Việc sản xuất này
được thực hiện nhờ quá trình khử nước nhờ xúc tác:
2CH

3
OH ‒› CH
3
- O - CH
3
+ H
2
O
Trước tiên, methanol được gia nhiệt lên tới nhiệt độ 250
o
C bằng hệ thống trao
đổi nhiệt rồi mới đưa vào lò phản ứng. Phản ứng phát nhiệt xảy ra trong lò và DME
Trang 20
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
hình thành. Các sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 365
o
C trước khi rời khỏi lò. Sau khi
làm nguội, DME được tách khỏi nước, methanol và các thành phần khác. Sản phẩm
cuối được tinh chế. Người ta thường kết hợp sản xuất methanol và DME trong cùng
một quá trình.
Như trên đã nói, trước khi được dùng làm nhiên liệu, DME chủ yếu được sử
dụng làm vật liệu khí phun thay thế CFCs trong hộp phun. Hiện DME vẫn giữ vai trò
chủ yếu trong ứng dụng này, chiếm tới 90% lượng DME sản xuất toàn cầu.
DME cũng được sử dụng làm chất cải thiện khả năng đánh lửa ở động cơ chạy
bằng methanol. Ngoài ra DME còn được sử dụng làm nhiên liệu cho nhà máy phát
điện và phục vụ các nhu cầu dân dụng (nấu ăn và sưởi ấm), tuy nhiên thị trường này
hiện chưa phát triển.
Trên toàn cầu hiện mới có một số nhà máy quy mô nhỏ sản xuất DME từ
methanol. Công nghệ tổng hợp DME trực tiếp từ syngas hiện vẫn đang tiếp tục nghiên
cứu. Một số nhà máy pilot đang được xây dựng để thực hiện điều này. Công nghệ sản

xuất DME từ nguyên liệu sinh khối cũng mới trong giai đoạn phát triển. Về nguyên
tắc, công nghệ tổng hợp và xử lý các sản phẩm khí hóa từ sinh khối để sản xuất DME
cũng giống như công nghệ đi từ khí tự nhiên.
Giá thành sản xuất DME từ sinh khối chủ yếu được xác định thông qua chi phí
nguyên liệu và đầu tư. Theo dự án Bio-DME của Bộ Năng lượng Thụy Điển (2002),
chi phí đầu tư cho một nhà máy quy mô thương mại với công suất 200.000 tấn DME /
năm dự tính cần 390 triệu euro hoặc tỷ suất đầu tư khoảng 2.000 euro/ tấn.
Hiệp hội DME quốc tế cho rằng DME đi từ khí tự nhiên có thể đưa ra thị
trường với giá cạnh tranh được với giá diezel truyền thống nguồn gốc dầu mỏ, nếu
dầu mỏ với giá 23 USD/ thùng.
DME sản xuất từ sinh khối sẽ đắt hơn vì chi phí nguyên liệu và vốn cao gấp
đôi, còn chi phí sản xuất và bảo dưỡng cũng cao hơn 75%. Bộ Năng lượng Thụy Điển
Trang 21
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
dự tính rằng giá thành sản xuất DME từ sinh khối sẽ vào khoảng 0,27 euro/ lít (14
euro/ GJ). Vì năng lượng của DME thấp hơn diezel nên chi phí để tương đương 1 lít
diezel sẽ vào khoảng 0,5 euro. Nhờ công nghệ mới của các hãng nói trên, giá thành
DME trong tương lai sẽ đủ sức cạnh tranh với các loại nhiên liệu truyền thống. Theo
số liệu của JFE thì với quy mô sản xuất 100 tấn/ ngày, giá thành DME tính theo đơn
vị năng lượng cũng chỉ tương đương so với gas hóa lỏng LNG và thấp hơn dầu diezel,
gas LPG.
Bảng 1 Bảng so sánh tính chất vật lý của DME và một số nhiên liệu khác
Thông số DME Methane (LNG) Propane Methanol Gas oil
Công thức phân tử CH
3
OCH
3
CH
4
C

3
H
8
CH
3
OH -
Điểm sôi (°C) -25.1 -161.5 -42 64.8 180~360
Tỷ trọng (g/cm
3
) (20°C) 0.67 - 0.49 0.79 0.84
Trọng lượng riêng của
khí(g/cm
3
)
1.59 0.55 1.52 - -
Áp suất hơi bão hoà
(atm,25°C)
6.1 - 9.3 - -
Nhiệt đốt cháy (kcal/mol) 350 632 504 470 250
Giới hạn nổ (%) 3.4~17 5~15 2.1~9.4 5.5~36 0.6~7.5
Chỉ số cetane 55~60 0 5 5 40~55
Nhiệt trị thấp (kcal/kg) 6,900 12,000 11,100 5,040 10,200

Khả năng ứng dụng
DME thích hợp với động cơ diezel do nhiệt độ đánh lửa thấp và chỉ số xetan
hợp lý.
Chỉ số xetan của DME cao hơn diezel dầu mỏ nên thời gian đánh lửa ngắn hơn
Trang 22
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diezel. Đây cũng là một

ưu thế của DME. Ngoài ra động cơ diezel chạy bằng DME giảm tiếng ồn. Nhược
điểm ở nhiên liệu này là nhiệt lượng thấp hơn diezel.
Các tính chất lý học của DME khá giống với LPG. DME là chất khí ở nhiệt độ
và áp suất không khí, nhưng ở 20 C và áp suất 5 bar, nó là chất lỏng. Điểm sôi ở áp
suất thường là -25
o
C. DME có thể trộn với nhiều dung môi hữu cơ và hòa tan tốt
trong nước. DME rất sạch, không chứa lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng.
DME không trộn lẫn với diezel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ
diezel là có thể sử dụng được DME. Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ thường
nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng. Điều này cũng có nghĩa là trên xe và
trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất. Cần lưu ý là áp suất
bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar, để tránh
chúng bị tạo thành hơi. DME an toàn hơn methanol, cháy với ngọn lửa có thể nhìn
thấy và đặc biệt là chúng ít độc.
III.5. Ethanol

Công nghệ sản xuất Ethanol

Chế biến từ đường.
Kỹ thuật dễ dàng, hiệu năng cao, và ít tổn phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ
đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ cải đường
ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay. Ngày nay đã tuyển chọn được
nhiều dòng men hữu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dầu tổn phí biến
chế thấp, nhưng đường, và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc, có
giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh
bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên
hiệu năng cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn
Trang 23
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng

đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây
sorgho-đường khoảng 15-23% sucrose, còn củ cải đường khoảng 16-18% sucrose.
Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25
lít nước mật (molasse), nước mật có độ đường 49,2%. Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn
mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol.
Năng suất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3,90 tấn
đường. Riêng tại Hawaii năng suất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn).
Với các giống mía mới (GM, genetically modified) tại Brazil, năng suất tới 240 tấn
mía/ha, với độ đường 14,6%. Năng suất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn
mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lít ethanol, 1 ha củ cải
đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sản xuất 3.000 lít
ethanol. Năng suất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30 năm 1975-
2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía mới ngày nay.

Chế biến từ tinh bột.
Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành
đường, rồi từ đó mới lên men rượu. Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho
khoảng 68-70%, gạo 70-80%. Trong quá trình chế biến, hạt ngũ cốc được xay nghiền
thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C
(vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ
36°C. Men thường dùng là vi nấm Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae,
Mucor, Rhizopus, vi khuẩn Zymomonas mobilis. Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời
chất hèm để làm thức ăn gia súc. Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng
cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn. Để đạt độ cồn 99,9%, trước đây dùng
benzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụng được, và độc tính cao) để loại
nước. Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve, như silica gel,
zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻ
Trang 24
Tiểu luận môn học Quản lý bền vững nguồn năng lượng
tiền và hiệu quả hơn.

Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết
kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột
thành đường ở nhiệt độ 32°C. Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol.
Hình 1 Quy trình sản xuất ethanol biến tính từ tinh bột

Chế biến từ chất xơ.
Chất xơ nói chung bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm
rạ, trấu, gỗ, v.v. Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C
6
H
10
O
5
)n, mà số n
biến thiên từ 7.000 đến trên 15.000 phân tử glucose. Hemicellulose cũng là đường
polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực
vật. Gỗ chứa khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90%. Động vật ăn cỏ, mối
Trang 25